Linux I/O复用之select函数详解

https://blog.csdn.net/y396397735/article/details/55004775

select函数的功能和调用顺序

使用select函数时统一监视多个文件描述符的： 
1、 是否存在套接字接收数据？ 
2、 无需阻塞传输数据的套接字有哪些? 
3、 哪些套接字发生了异常？

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select函数调用过程： 
 
由上图知，调用select函数需要一些准备工作，调用后还需要查看结果。

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设置文件描述符

select可以同时监视多个文件描述符（套接字）。 
此时需要先将文件描述符集中到一起。集中时也要按照监视项（接收，传输，异常）进行区分，即按照上述3种监视项分成三类。 
使用fd_set数组变量执行此项操作，该数组是存有0和1的位数组。

最左端的位表示文件描述符0（位置）。如果该位值为1，则表示该文件描述符是监视对象。 
图上显然监视对象为fd1和fd3。

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“是否应当通过文件描述符的数字直接将值注册到fd_set变量？” 
当然不是！操作fd_set的值由如下宏来完成：

FD_ZERO(fd_set* fdset)： 将fd_set变量的所有位初始化为0。 
FD_SET（int fd, fd_set* fdset）:在参数fdset指向的变量中注册文件描述符fd的信息。 
FD_CLR(int fd, fd_set* fdset)：参数fdset指向的变量中清除文件描述符fd的信息。 
FD_ISSET(int fd, fd_set* fdset): 若参数fdset指向的变量中包含文件描述符fd的信息，则返回真。

画图解释： 

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设置监视范围及超时

select函数：

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

int select(int maxfd, 
          fd_set* readset, 
          fd_set* writeset, 
          fd_set* exceptset, 
          const struct timeval* timeout);

其中参数和返回值： 
maxfd：监视对象文件描述符数量。 
readset: 将所有关注“是否存在待读取数据”的文件描述符注册到fd_set变量，并传递其地址值。 
writeset: 将所有关注“是否可传输无阻塞数据”的文件描述符注册到fd_set变量，并传递其地址值。 
exceptset: 将所有关注“是否发生异常”的文件描述符注册到fd_set变量，并传递其地址值。 
timeout: 调用select后，为防止陷入无限阻塞状态，传递超时信息。 
返回值：错误返回-1，超时返回0。因关注的事件返回时，返回大于0的值，该值是发生事件的文件描述符数。

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select函数用来验证3种监视项的变化情况。根据监视项声明3个fd_set变量，分别向其注册文件描述符信息，并把变量的地址传递到函数的第二到第四个参数。但是，在调用select函数前需要决定2件事： 
“文件描述符的监视范围是？” 
“如何设定select函数的超时时间？”

第一，文件描述符的监视范围与第一个参数有关，实际上,select函数要求通过第一个参数传递监视对象文件描述符的数量。因此，需要得到注册在fd_set变量中的文件描述符数。但每次新建文件描述符时，其值都会增1，故只需将最大的文件描述符值加1再传递到select函数即可。（加1是因为文件描述符的值从0开始） 
第二，超时时间与 最后一个参数有关，其中timeval结构体如下：

struct timeval
{
    long tv_sec;
    long tv_usec;
};

本来select函数只有在监视文件描述符发生变化时才返回，未发生变化会进入阻塞状态。指定超时时间就是为了防止这种情况发生。 
将上述结构体填入时间值，然后将结构体地址值传给select函数的最后一个参数，此时，即使文件描述符中未发生变化，只要过了指定时间，也可以从函数返回。不过这种情况下，select函数返回0。 
不想设置超时最后一个参数只需要传递NULL。

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调用select函数后查看结果

如果select返回值大于0，说明文件描述符发生了变化。

关于文件描述符变化：
    文件描述符变化是指监视的文件描述符中发生了相应的监视事件。
    例如通过select的第二个参数传递的集合中存在需要读取数据的描述符时，就意味着文件描述符发生变化。

怎样获知哪些文件描述符发生了变化？向select函数的第二到第四个参数传递的fd_set变量中将产生变化，如下图：

select函数调用完成后，向其传递的fd_set变量中将发生变化。原来为1的所有位均变为0，但发生变化的文件描述符对应位除外。因此，可以认为值为1的位置上的文件描述符发生了变化。

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select函数调用实例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/select.h>

#define BUF_SIZE 30

int main(int argc, char* argv[])
{
    fd_set reads, temps;
    int result, str_len;
    char buf[BUF_SIZE];
    struct timeval timeout;
    FD_ZERO(&reads);
    FD_SET(0, &reads);//监视文件描述符0的变化, 即标准输入的变化
    /*
    超时不能在此设置！
    因为调用select后，结构体timeval的成员tv_sec和tv_usec的值将被替换为超时前剩余时间.
    调用select函数前，每次都需要初始化timeval结构体变量.
    timeout.tv_sec = 5;
    timeout.tv_usec = 5000;
    */
    while(1)
    {
        /*将准备好的fd_set变量reads的内容复制到temps变量，因为调用select函数后，除了发生变化的fd对应位外，剩下的所有位
        都将初始化为0，为了记住初始值，必须经过这种复制过程。
        */
        temps = reads;
        //设置超时
        timeout.tv_sec = 5;
        timeout.tv_usec = 0;

        //调用select函数. 若有控制台输入数据，则返回大于0的整数，如果没有输入数据而引发超时，返回0.
        result = select(1, &temps, 0, 0, &timeout);
        if(result == -1)
        {
            perror("select() error");
            break;
        }
        else if(result == 0)
        {
            puts("timeout");
        }
        else
        {
            //读取数据并输出
            if(FD_ISSET(0, &temps))
            {
                str_len = read(0, buf, BUF_SIZE);
                buf[str_len] = 0;
                printf("message from console: %s", buf);
            }
        }
    }

    return 0;
}

程序运行结果：
/*
nihao
message from console: nihao
goodbye
message from console: goodbye
timeout
timeout
*/

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select函数实现I/O复用服务端

服务端代码：

//server.c
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/select.h>

#define BUF_SIZE 100

void error_handing(char* buf);

int main(int argc, char* argv[])
{
    int serv_sock, clnt_sock;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    struct timeval timeout;
    fd_set reads, cpy_reads;

    socklen_t adr_sz;

    int fd_max, str_len, fd_num, i;
    char buf[BUF_SIZE];
    if(argc != 2)
    {
        printf("Usage: %s <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    serv_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    if(bind(serv_sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr)) == -1)
        error_handing("bind() error");
    if(listen(serv_sock, 5) == -1)
        error_handing("listen() error");

    FD_ZERO(&reads);
    FD_SET(serv_sock, &reads); //将服务端套接字注册入fd_set,即添加了服务器端套接字为监视对象
    fd_max = serv_sock;

    while(1)
    {
        cpy_reads = reads;
        timeout.tv_sec = 5;
        timeout.tv_usec = 5000;

        //无限循环调用select 监视可读事件
        if((fd_num = select(fd_max+1, &cpy_reads, 0, 0, &timeout)) == -1)
        {
            perror("select error");break;
        }
        if(fd_num == 0)
            continue;

        for(i = 0; i < fd_max + 1; i++)
        {
            if(FD_ISSET(i, &cpy_reads))
            {
                /*发生状态变化时,首先验证服务器端套接字中是否有变化.
                ①若是服务端套接字变化，接受连接请求。
                ②若是新客户端连接，注册与客户端连接的套接字文件描述符.
                */
                if(i == serv_sock)
                {
                    adr_sz = sizeof(clnt_adr);
                    clnt_sock = accept(serv_sock, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &adr_sz);
                    FD_SET(clnt_sock, &reads);
                    if(fd_max < clnt_sock)
                        fd_max = clnt_sock;
                    printf("connected client: %d \n", clnt_sock);
                }
                else    
                {
                    str_len = read(i, buf, BUF_SIZE);
                    if(str_len == 0)    //读取数据完毕关闭套接字
                    {
                        FD_CLR(i, &reads);//从reads中删除相关信息
                        close(i);
                        printf("closed client: %d \n", i);
                    }
                    else
                    {
                        write(i, buf, str_len);//执行回声服务  即echo
                    }
                }
            }
        }
    }
    close(serv_sock);
    return 0;
}

void error_handing(char* buf)
{
    fputs(buf, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

---

客户端代码：

//client.c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#define BUF_SIZE 1024

void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[])
{
    int sock;
    char message[BUF_SIZE];
    int str_len;
    struct sockaddr_in serv_adr;
    if(argc != 3)
    {
        printf("Usage: %s <IP> <port> \n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(sock==-1)
        error_handling("socket error");

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    if(connect(sock, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr))==-1)
        error_handling("connect() error!");
    else
        puts("connected....");

    while(1)
    {
        fputs("Input message:(输入Q退出):", stdout);
        fgets(message, BUF_SIZE, stdin);
        if(!strcmp(message, "q\n") || !strcmp(message, "Q\n"))
            break;

        write(sock, message, strlen(message));
        str_len = read(sock, message, BUF_SIZE-1);
        message[str_len] = 0;
        printf("Message from server: %s", message);
    }

    close(sock);
    return 0;
}

void error_handling(char* message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('\n', stderr);
    exit(1);
}

---

编译执行测试：

编译程序：
gcc server.c –o server
gcc client.c –o client

启动服务端：
yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./server 8899

启动客户端1：
yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./client 127.0.0.1 8899
connected....
Input message:(输入Q退出):你好哇2017年2月12日20:25:43
Message from server: 你好哇2017年2月12日20:25:43
Input message:(输入Q退出):你好哇2017-02-12 20:25:52
Message from server: 你好哇2017-02-12 20:25:52
Input message:(输入Q退出):q

启动客户端2：
yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./client 127.0.0.1 8899
connected....
Input message:(输入Q退出):你好2017年2月12日20:25:11
Message from server: 你好2017年2月12日20:25:11
Input message:(输入Q退出):你好2017年2月12日20:25:24
Message from server: 你好2017年2月12日20:25:24
Input message:(输入Q退出):q



服务端情况：
yu@ubuntu:~/qtProjects/echo_selectserv$ ./server 8899
connected client: 4 
connected client: 5 
closed client: 5 
closed client: 4